Energía

1.    ¿Qué es trabajo mecánico? ¿Cuándo se realiza trabajo sobre un objeto?  ¿Cuándo no se realizas trabajo sobre un objeto?

Tú dices que trabajas cuando estudias para un examen. Un periodista de televisión piensa que trabajar es dar las noticias. ¡Pero un científico no estaría de acuerdo!

En física el término trabajo tiene un sentido especial. Tú realizas trabajo cuando empujas un cuerpo y este se mueve en la misma dirección de la fuerza, cuando levantas o lanzas un objeto.

¡Pero no siempre que aplicas una fuerza, realizas trabajo! ¿Cómo es esto posible? ¿Por qué los brazos de esta persona no realizan trabajo al sostener esta carga?

Consideremos un cuerpo que es arrastrado sobre una trayectoria rectilínea, sometido a la acción de fuerzas constantes, el trabajo (W) de cada una de las fuerzas se define como el producto de la magnitud de la fuerza por la longitud del desplazamiento y por el coseno del ángulo formado por la fuerza y la dirección del desplazamiento.   W = F .d. cosø.

Como podemos ver, sobre   el cuerpo actúan cuatro fuerzas y el trabajo de cada una es:

La fuerza Externa (F).  WF = F.d.cosø.

La fuerza Normal (N). WN = N.d.Cos 90° = N.d.0 = 0. Cuando una fuerza actúa perpendicularmente al desplazamiento no realiza trabajo sobre el cuerpo, según el concepto mecánico.

La fuerza de fricción (f).  Wf= f.d.Cos 180°= f.d.-1= -f.d. El trabajo realizado por la fuerza de rozamiento es negativo.

El peso (mg). Wg= m.g.d.Cos(-90°) = 0.  Tampoco realiza trabajo.

Se denomina trabajo neto sobre un cuerpo, a la suma algebraica de los trabajos efectuados por cada una de las fuerzas que actúan sobre él.

W = WF + WN + Wf + Wg  = F.d.cosø – f.

En conclusión: trabajo es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza.

Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo necesario.

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades es el Joule ( J ) en honor al físico inglés James P. Joule.

1 Newton x 1 metro = 1 Joule. Una persona realiza un trabajo de un Joule cuando desplaza un metro un cuerpo, ejerciendo una fuerza de un Newton.

La unidad de trabajo del Sistema sexagesimal es el ergio, equivalente al realizado por una DINA cuando su punto de aplicación recorre un centímetro.

Ergio (erg) = dina x cm.    ( 1 Joule = 10 7  ergios )

2. ¿Qué es la potencia?

La  Potencia (P), es el trabajo desarrollado en una unidad de tiempo. La potencia indica la rapidez con la cual se realiza un trabajo. Así, cuanto más rápida sea una maquina para realizar un trabajo, mayor será la potencia desarrollada por ésta.

En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho trabajo. Potencia =Trabajo / Tiempo

La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio o el watt (W) en honor al físico escocés James Watt, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 joule de trabajo cada segundo. Es usual expresar la potencia en caballos de potencia (HP), que equivale a 746 vatios y en Kilovatios (KW) que equivale a 1000 vatios. (Es la potencia que suministra una grúa al levantar un objeto de 100Kg una altura de un metro en un segundo)

Como Trabajo = potencia x tiempo  y  Trabajo = Energía , entonces

Energía consumida = potencia x Tiempo.

El kilovatio hora, abreviado Kwh. es una unidad de energía. Equivale a la energía desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios.  El kilovatio-hora se usa generalmente para la facturación de energía eléctrica, dado que es más fácil de utilizar que la unidad de energía del SI de unidades, el julio, la cual corresponde a un watio-segundo (W.s).

1. LABORATORIO VIRTUAL.

1. Entra a la página Web LABORATORIO VIRTUAL IBERCAJA. http://www.ibercajalav.net/ , ingresa en TRABAJO y realiza el ejercicio 1 relacionados con los conceptos de trabajo y de potencia.

Un helicóptero tira de una camioneta sin llegar a elevarla, realizando un trabajo sobre ella. Como la fuerza no es excesiva, la camioneta es capaz de moverse siempre hacia adelante con velocidad constante.

• Detenga el movimiento del helicóptero y la furgoneta en un desplazamiento entre 5m y 10m y anote los resultados en la siguiente tabla. Pruebe estos resultados aplicando la formula de trabajo T = F.d.cosq.

• Responde la pregunta ( ? ) del ejercicio 1.

• Resuelve con la ayuda de las simulaciones los ejercicios 2,3 y 4, responde las preguntas ( ? )

• Explique, cuando es el trabajo positivo y cuando es negativo. ¿Por qué ocurre esto?

Fuerza	Angulo	Desplazamiento	Trabajo
2.000 N	0º	9 m	18.000 Julios
4.000 N	15º
6.000 N	30º
8.000 N	45º
10.000 N	60º
12.000 N	75º
14.000 N	90º
16.000 N	120º
18.000 N	135º
20.000 N	180º

2. Una grúa puede levantar cargas con diferente fuerza y en varios intervalos de tiempo. Para el ejercicio 1 de Potencia, modifica los valores de la fuerza y del tiempo y halla los valores del trabajo y de la potencia desarrollado por la grúa, responde la pregunta ( ? ) del ejercicio 1.

Fuerza	Tiempo	Trabajo	Potencia
500 N	2 Segundos	15.000 Julios	7.500 Vatios
1.000 N	4 Segundos
1.500 N	6 Segundos
500 N	10 Segundos
1.000 N	10 Segundos
1.500 N	10 Segundos
4.000 N	2 Segundos
4.000 N	4 Segundos
4.000 N	5 Segundos
2.000 N	10 Segundos

Para la ecuación T = F.d,  reemplaza la fuerza y el trabajo por un valor dado en una simulación y halla el desplazamiento (d) de la carga.

a)   ¿Qué sucede con la potencia y el trabajo, si la fuerza se duplica o se triplica y también el tiempo se duplica o se triplica? ¿Por qué?

b)   ¿Qué sucede con la potencia y el trabajo, si la fuerza se duplica o se triplica y el tiempo permanece constante? ¿Por qué?

c)   ¿Qué sucede con la potencia y el trabajo, si la fuerza permanece constante y el tiempo se duplica o se triplica?

d)   ¿Qué sucede con la potencia y el trabajo, si la fuerza se reduce a la mitad y el tiempo se duplica?

e)   Depende el trabajo del tiempo de aplicación de la fuerza. SI o NO, ¿Por qué?

f)   Resuelve con la ayuda de la simulación el ejercicio 2, responde la pregunta ( ? )

3. ¿Qué es la Energía?

En todos los actos cotidianos se emplea algo de fuerza. Al levantarnos, peinarnos, caminar, correr, jugar, trabajar, etc. Siempre se necesita de fuerza para poder desenvolvernos con facilidad, según las exigencias del medio ambiente que nos rodee. La capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo, se denomina: Energía. Vivimos en un océano de energía, la energía te rodea, puedes oírla como sonido, verla como luz, sentirla como viento. Tu usas energía al golpear una pelota, presionar un resorte o levantar una bolsa con comestibles. Los organismos vivos necesitan energía para crecer y moverse. Cuando un pájaro vuela, una bomba explota, la lluvia cae, una bombilla se enciende, la energía esta actuando. Puede sorprenderte que tu cuerpo sea una “factoría de energía” que almacena y transforma varias formas de energía.

La energía es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto. Por eso decimos que alguien tiene mucha energía cuando realiza grandes actividades durante el día como: trabajar, estudiar o practicar deportes.

En resumen:

• Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.
• En física, Energía es la capacidad de obrar, transformar y poner en movimiento.
• La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes, y por tanto se expresan en las mismas unidades.
• El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor.

3.1. Formas de Energía. Existen diferentes formas de energía. Y por su naturaleza, las cincos formas principales de energía son:

3.1.1. Energía Mecánica. La Energía mecánica (Em), expresa la capacidad que poseen lo cuerpos con masa de efectuar un trabajo. Por ejemplo: La energía que poseemos para correr en bicicleta o la que posee el agua de una cascada que al caer hacer mover las aspas de una turbina, el sonido que percibes.

La energía mecánica es la combinación o suma de la Energía cinética (Ec) y la Energía potencial (Ep). Em = Ec + Ep

La energía cinética es la energía que posee un cuerpo de masa m por encontrarse en movimiento. Por ejemplo, la energía del agua al caer de una cascada, la energía del aire en movimiento (Energía eólica), incluso la sangre que circula por tus venas tiene energía cinética, etc

Cualquier cuerpo en movimiento tiene la capacidad de realizar un trabajo porque tiene energía de movimiento o energía cinética.

Cuando un  objeto de masa m se mueve con una velocidad V, posee una energía cinética E_c, dada por la ecuación: Ec = ½ m.v²

De acuerdo con esta ecuación, si la velocidad de un objeto se duplica, su energía cinética se cuadruplica. En consecuencia se necesita cuatro veces más trabajo para duplicar la velocidad. También se requiere el cuádruplo de trabajo para detener un objeto que se mueve con el doble de velocidad.

La energía potencial puede expresarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a una cierta altura del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; si se eleva más la pelota, la energía potencial del sistema aumenta. Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales, una cuerda de un reloj enroscada tiene el potencial de mover las agujas del reloj cuando se desenrosca, el arco tenso de un arquero tiene el potencial de lanzar una flecha hasta el blanco.

Puede ser: Energía potencial gravitacional  y Energía potencial elástica

Energía potencial gravitacional. Si un cuerpo de masa m se sitúa a una altura h, arriba de un nivel de referencia, éste cuerpo posee una energía potencial gravitacional con respecto a este nivel, expresado por: E_pg = m.g.h

La cantidad de energía potencial gravitacional que posee un cuerpo elevado es igual al trabajo realizado contra la gravedad para situarlo en esa posición.

Si la energía potencial gravitacional para el objeto es de 200 J ¿Cuál es el trabajo que hace para levantarlo a 2m de altura y cuál es la fuerza que se aplica en cada caso?

Relación entre el trabajo y la energía potencial gravitacional.

Para proporcionar energía potencial a un sistema es necesario realizar un trabajo. Se requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo hasta una altura h, debido a la atracción de la tierra, si este cuerpo se dejara caer seria capaz de realizar un trabajo al llegar al piso: podría aplastar un objeto, perforar el suelo, comprimir un resorte, etc.

Energía potencial elástica U.

Un cuerpo unido al extremo de un resorte comprimido  (o estirado), al soltarlo será empujado (o halado) por el resorte, adquiriendo la capacidad  de realizar un trabajo, ya que adquiere energía potencial elástica.

Recordemos  la Ley de Hooke: La fuerza F ejercida por un resorte es directamente proporcional a su deformación x, o sea: f a x.

Luego: F = k.x, donde k es la constante elástica del resorte.

Al empujar el cuerpo, el resorte realiza sobre le él un trabajo cuyo valor está dado por el área coloreada. Por  tanto Un cuerpo unido a un resorte de constante elástica k, y con una deformación x, posee una energía potencial elástica dada, por: U = ½ k.x²

La energía potencial se manifiesta de otras formas. Por ejemplo, los objetos eléctricamente cargados tienen energía potencial como resultado de su posición en un campo eléctrico. Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía cinética al ser detonado. Los núcleos de los átomos tienen una energía potencial que se transforma en otras formas de energía en las centrales nucleares.

La ley de conservación de la energía mecánica.

Energía hidráulica: el agua almacenada de los ríos y lagos, al caer de cierta altura, transforma su energía Potencial en Cinética, que a su vez puede convertirse en energía cinética de rotación de una turbina, que finalmente se transforma en energía eléctrica. Cuando enciendes un bombillo, no toda la electricidad que circula por el filamento se convierte en luz, tal vez esto te haga pensar que se pierde energía. Pero no es así, se convierte en calor. La energía nunca se pierde.

Los científicos han descubierto que aún cuando se convierte de una forma a otra, no se gana o pierde energía en el proceso. La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se crea ni se destruye; se puede transformar de una forma en otra, pero la cantidad total de energía no cambia jamás. Em = Ec + Ep = Constante

4. LABORATORIO VIRTUAL DE ENERGIA

Entra a la página Web LABORATORIO VIRTUAL IBERCAJA. http://www.ibercajalav.net/ entra, por acceso libre, da un clic en Energía Mecánica, realiza los ejercicios relacionados con los conceptos de energía Cinética, Potencial y Mecánica. Responde la pregunta ( ? ) del ejercicio.

Para el ejercicio 1 de energía Cinética, modifica los valores de la masa y de la velocidad para hallar los valores de la energía cinética.

a) Si la velocidad es constante y la masa se duplica o se triplica, ¿qué tanto se altera la energía cinética?,

b) Si la masa es constante y la velocidad se duplica o se triplica, ¿qué tanto se altera la energía cinética?

c) ¿La gravedad influye en la energía Cinética? SI o NO, ¿Por qué?

Para el ejercicio 1 de energía Potencial, modifica los valores de la masa y de la altura inicial para hallar los valores de la energía potencial inicial y la energía potencial final (aproximadamente 10m antes de llegar al suelo). No tengas en cuenta las velocidades.

a) Si la altura es constante y la masa se duplica o se triplica, ¿qué tanto se altera la energía potencial?,

b) Si la masa es constante y la altura se duplica o se triplica, ¿qué tanto se altera la energía potencial?

Para el ejercicio 1 de energía Mecánica, desde una altura de 110m, modifica los valores de la masa y de la altura final (aproximadamente 15m antes de llegar al suelo) para hallar los valores de la energía cinética, potencial y mecánica.

5. Cantidad de movimiento (ímpetu o momento lineal).

¿Por qué es más difícil detener un camión que un auto pequeño cuando ambos autos se desplazan con la misma rapidez?

La cantidad de movimiento o ímpetu (p) de un cuerpo de masa m, que se mueve con una velocidad V, está definida por la expresión:

p = m.V

Las unidades de la cantidad de movimiento son Kilogramo x metros/segundo y tiene la misma dirección y sentido de la velocidad.

IMPULSO (I) Cuando un jugador de fútbol hace un tiro, cuando un tenista, con su raqueta, regresa una bola, tenemos en ambos casos, una fuerza que actúa durante un breve intervalo de tiempo sobre una pelota, lo cual hace que sea impulsada. Siempre que una fuerza actué sobre un cuerpo durante cierto intervalo de tiempo, diremos que el objeto recibe un impulso.

Impulso (I) = Fuerza (F) x Intervalo de tiempo (t)

Las unidades del impulso son Newton x Segundo y tiene la misma dirección y sentido de la fuerza.

Relación entre el impulso y la cantidad de movimiento.

“Cuanto mayor es el impulso que se ejerce sobre un cuerpo, tanto mayor será el cambio en la cantidad de movimiento” F.t= D(m.V)  o  F.t =m (V₂–V₁)

Conservación de la cantidad de movimiento

En un sistema aislado, el momento total permanece constante a lo largo del tiempo; es lo que se llama conservación del momento lineal. Por ejemplo, cuando un jugador de tenis golpea una pelota, el momento lineal de la raqueta justo antes de golpear la bola más el momento de la pelota en ese instante es igual al momento de la raqueta inmediatamente después de golpear la bola más el momento de la pelota golpeada. En otro ejemplo, imaginemos a un nadador que salta desde un bote inmóvil que flota sobre el agua. Antes de saltar, el bote y el nadador no se mueven, por lo que el momento lineal total es cero. Al saltar, el nadador adquiere momento lineal hacia delante, y al mismo tiempo el bote se mueve hacia atrás con un momento igual en magnitud y dirección pero sentido contrario; el momento total del sistema formado por el nadador y el bote sigue siendo nulo.

6. Colisiones o choques.

Cuando dos cuerpos chocan, por ejemplo dos bolas de billar, pueden suceder dos casos:

• Que la dirección del movimiento de los cuerpos no se altere por el choque, o sea, que se muevan sobre una misma recta, antes y después del choque (Choque directo o unidimensional).
• Que los cuerpos se muevan en distintas direcciones antes y después del choque (Choque oblicuo o bidimensional).

“Cuando dos objetos  chocan en ausencia de fuerzas externas, la cantidad de movimiento total de ambos objetos, antes y después de la colisión es igual”

(p _{antes del choque} = p _{después del choque})

6.1. Choques o colisiones elástica. Colisiones elásticas son aquellas en las cuales no hay intercambio de masa, los cuerpos no se quedan pegados inmediatamente después de una colisión.

Cuando dos o más objetos chocan elásticamente se presentan las siguientes características:

• No sufren deformación permanente
• No generan calor durante la colisión
• Rebotan de manera perfecta
• La energía cinética tiene el mismo valor antes y después del choque, es decir, la energía cinética del sistema se conserva.
• Se conserva la cantidad de movimiento
• La suma de vectores de la cantidad de movimiento es la misma antes y después del choque.

7.2. Choques o colisiones inelásticas. En un choque inelástico los cuerpos presentan deformaciones luego de su separación; esto es una consecuencia del trabajo realizado. En el caso ideal de un choque perfectamente inelástico, los objetos en colisión permanecen pegados entre sí.

Cuando dos o más objetos chocan inelásticamente se presentan las siguientes características:

• Sufren deformación permanente
• Generan calor durante la colisión
• Se conserva la cantidad de movimiento
• Los objetos quedan unidos o acoplados
• La energía cinética antes y después del choque, es diferente.

LABORATORIO VIRTUAL DE COLISIONES

Entra a la página Web LABORATORIO VIRTUAL IBERCAJA. http://www.ibercajalav.net/ entra, por acceso libre, da un clic en Choques, realiza los ejercicios relacionados con los conceptos de choques elásticos e inelásticos.

• Para el ejercicio 1 de choque elástico, modifica los valores de las velocidades V₁ y V₂, y de las masas m₁ y m₂, en un tiempo (antes de desaparecer alguna de las masas) para hallar los valores de la energía cinética y la cantidad de movimiento (momento Mo) antes y después del choque.

a) ¿Qué sucede con la velocidad, energía y el momento lineal de las masas antes y después del choque?

b) Utiliza las ecuaciones para comprobar que los resultados cumple las características dadas para las colisiones elásticas.

NOTA 1. Lee el enunciado, realiza las simulaciones y responde la pregunta ( ? ) para los otros 3 ejercicios restantes del choque elástico.

• Choque entre dos vagones de un tren. Para el ejercicio 1 de choque inelástico, modifica los valores de las velocidades V₁ y V₂, y las masas m₁ y m₂, en un tiempo (antes de desaparecer completamente las dos masas) para hallar los valores de la energía cinética y la cantidad de movimiento (momento) antes y después del choque.

a) ¿Qué sucede con la velocidad, energía y el momento lineal de las masas antes y después del choque?

b) Utiliza las ecuaciones para comprobar que los resultados cumple las características dadas para las colisiones inelásticas.

NOTA 2. Lee el enunciado, realiza las simulaciones y responde la pregunta ( ? ) para los otros 2 ejercicios restantes de choque inelástico.

C O M E N T A R I O S

Para hacer tu comentario de este cuarto periodo, comenta o responde mínimo dos de los puntos siguientes en un párrafo breve (de 8 a 10 renglones).

1. ¿Cómo se relacionan fuerza, trabajo y distancia?

2. ¿Cuál es la relación entre potencia,  trabajo y tiempo?

3. ¿Por qué se necesita más potencia para subir corriendo una escalera que parta subirla a paso normal? ¿cómo se relacionan la velocidad con la potencia?

4. ¿Por qué se mide la energía con la misma unidad que el trabajo?

5. ¿Cuáles son las diferentes formas de energía?

6. ¿Qué diferencia hay entre energía cinética y energía potencial?

7. Desde el punto de vista de la energía cinética, ¿por qué en un choque, un camión cargado es más peligroso que un auto pequeño, aunque vayan a la misma velocidad?

8. ¿Puede la energía transmitirse  de un objeto a otro?  Explica con un ejemplo

9. Supón que vas en un trineo tirado por caballos a 16 km/h. Otro trineo recorre la misma distancia a 10 km/h. ¿qué caballos tienen más potencias?

10. Usa la formula de energía cinética para describir la relación entre la energía cinética de un objeto, su masa y su velocidad.

11. Describe las conversiones entre energía potencial y energía cinética, en los procesos siguientes: a) Al caer una pelota de tenis, chocar con el piso y rebotar hacia arriba. b) Se levanta un objeto, se le deja caer, al llegar al piso se detiene, produce un sonido y se calienta.

12. Usando la ley de conservación de la energía, explica por qué te cansaste de empujar tu bicicleta por el camino.

13. Explica la diferencia entre: a) Impacto e Impulso, y b) Impulso y Cantidad de movimiento.

14. En un accidente automovilístico, ¿Por qué es conveniente para el ocupante prolongar el tiempo en que ocurre la colisión?

15. ¿Por qué es conveniente para un boxeador dejarse ir con el golpe? ¿por qué no es conveniente avanzar para recibir el golpe?

16. Si el tiempo de impacto en una colisión se alarga cuatro veces, ¿en qué proporción cambia la fuerza del impacto?

17. En términos de Conservación de la Cantidad de movimiento, ¿Por qué un rifle retrocede cuando se dispara?

18. Explica la diferencia entre una colisión elástica y una inelástica.

19. ¿Se conserva la Cantidad de movimiento de dos objetos en colisión que se desplazan formando un cierto ángulo uno respecto al otro?

PRACTICA  CON LA PRUEBA VIRTUAL DE FISICA

Entra en el siguiente enlace:

http://thatquiz.org/es/practicetest?QTSH6911